4. Обратные связи. Назначение и классификация

Обратная связь образуется, когда выходной сигнал или его часть подается на вход элемента или системы. По конструктивному исполнению связи могут быть механическими, электрическими, пневматическими, гидравлическими и т. д.

По расположению в структурной схеме САУ обратные связи подразделяются на внешние и внутренние.

Внешние обратные связи охватывают обычно все звенья, а внутренние – одно или ряд звеньев, входящих в систему. Внутренние обратные связи позволяют превращать один вид звена в другой, вводить новые звенья, изменять их параметры, не нарушая структурной схемы САУ, и т. д. Обратные связи повышают точность работы системы и улучшают ее динамические свойства.

Исходя из величины обратной связи по отношению к значению прямой цепи обратные связи подразделяются на единичные (k_ос = 1) и неединичные. Неединичные связи применяются для уменьшения ошибки в работе замкнутой САУ.

Различают главные и местные (корректирующие) обратные связи.

Главная обратная связь – это связь выхода системы (объекта) с входом системы (объекта).

Местная обратная связь – это связь между выходом элемента и его входом или между выходом и входом нескольких элементов, входящих в систему. Местные связи обычно служат для улучшения основного процесса работы системы, повышения устойчивости и точности, уменьшения ошибок и запаздываний и т. п.

Величина k_oc (рис. 1.4), показывающая какая часть выходного сигнала у(t) снова поступает на вход в виде сигнала обратной связи у_ос(t), называется коэффициентом обратной связи:

k_ос = у_ос / у

Обратные связи делятся на положительные и отрицательные, гибкие и жесткие. Положительной называется такая связь, сигнал которой складывается с входным сигналом:

х(t) = g(t) + y_ос(t).

Отрицательной связь называется, когда ее сигнал вычитается из входного сигнала:

x(t) = g(t) – y_ос(t).

Рис. 1.4. Условное обозначение обратной связи автоматики

Жесткая обратная связь передает сигналы как в установившихся, так и в переходных режимах. На рис. 1.5, а показана жесткая пневматическая обратная связь.

Рис. 1.5. Пример обратных связей автоматики

При перемещении заслонки 4 под воздействием отклонения управляемой (регулируемой) величины, скорость истечения воздуха из сопла 5 изменится, что приведет в свою очередь к изменению давления воздуха за дроссельным устройством 6 и в сильфонной камере 1. Изменение длины сильфона 2 приведет к перемещению заслонки 4 с помощью рычага 3 в сторону, противоположную воздействию входной величины, и изменению давления за дросселем 6.

На рис. 1, б, в показана жесткая механическая обратная связь. Основная цепь воздействий имеет направление от точки А к точке В, положение которой однозначно определяется координатой точки А (жесткая связь). При перемещении точки А вверх на расстояние х точка В сместится за счет основной связи на величину у₁; при этом из-за дополнительной связи шарнир 0, который жестко связан с точкой В, перемещается на величину z и будет возвращать точку В вверх на величину у₂ (отрицательное перемещение). Следовательно, результирующее перемещение точки В вниз составит у = у₁ – y₂, т. е. имеем отрицательную обратную связь.

На рис. 1.5, в представлена положительная обратная связь, так как результирующее перемещение точки В складывается из перемещений у₁ от действия прямой цепи и перемещения у₂ от действия обратной связи.

На рис. 1.5, г показан гидравлический поршневой серводвигатель с отрицательной жесткой связью, которая осуществляется установкой опоры рычага АС в точке С на штоке поршня (первый момент движения).

Перемещение точки А вызывает движение и перемещает шарнир В вверх. Шарнир С в первый момент неподвижен (положение 1), затем при опускании поршня точка С смещается вниз (положение II) и смещает вниз шарнир В (отрицательное перемещение), т. е. имеем отрицательную жесткую связь.

На рис. 1.5, д, е показана жесткая обратная связь по напряжению и току.

Для рис. 1.5, д:

у_ос = U_ос = k_осU_вых,

где

.

В качестве элемента обратной связи используется делитель R₁ – R₂. Если сигнал обратной связи и выходной сигнал к входу элемента подключены параллельно, то такая связь называется параллельной.

Для жесткой обратной связи по току (рис. 1.5, е) в качестве элемента обратной связи используется резистор R_oc. В этом случае у_ос = U_ос = k_осU_вых, где k_ос = R_oc, т. е. имеем так называемую последовательную обратную связь, когда U_oc, U_вых подключены последовательно.

Гибкая обратная связь (изодромная, или упругая связь) действует только в неустановившемся режиме. В первый момент гибкая связь действует как жесткая, а затем ее воздействие постепенно ослабевает и, наконец, исчезает.

Изодромная связь для системы автоматического регулирования (CAP) частоты вращения коленчатого вала (отрицательная гибкая обратная связь) показана на рис. 1.6.

Рис. 1.6. CAP частоты вращения коленчатого вала

При этом типе связи с изменением частоты вращения поворот рычага 5 происходит вокруг точки О, перемещая поршни золотника 4 вверх или вниз.

В первый момент смещения поршня гидроцилиндра 6 цилиндр 2 и поршень 3 с калиброванными отверстиями движутся как одно целое и рычаг АВ вначале поворачивается вокруг точки А, осуществляя обратную связь на поршни золотника, растягивая или сжимая пружину 1. В дальнейшем за счет перетекания жидкости в цилиндре 2 пружина 1 возвращает рычаг АВ в то положение, которое он занимал до начала движения поршня гидроцилиндра. Поэтому гибкая обратная связь действует только в переходном режиме, причем содействует сохранению астатизма системы.

Вопросы для самоконтроля

1. Что представляет собой автоматизация технологических процессов?

2. Назовите основные определения автоматики.

3. Какие существуют схемы автоматики?

4. Приведите обобщенную функциональную схему автоматики.

5. Какие обратные связи используются в автоматике?

Лекция 2. ПРИНЦИПЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО

РЕГУЛИРОВАНИЯ

План лекции

1. Принципы построения САУ.

2. Классификация САУ.

1. Принципы построения САУ

В основе построения САУ лежат три фундаментальных принципа: разомкнутого управления (регулирования); управления по возмущению и управления по отклонению (по ошибке).

Принцип разомкнутого управления состоит в том, что алгоритмы управления вырабатываются только на основе заданного алгоритма функционирования и не контролируются другими факторами – возмущениями или выходными координатами системы. Принципиальная схема разомкнутого управления показана на рис. 1.7, а.

Рис. 1.7. Принципы построения САУ

Схема системы в этом случае имеет вид разомкнутой цепочки, в которой основное воздействие передается от входного (задающего) элемента ЗУ к выходному ОУ (объекту). Поэтому и принцип управления получил название разомкнутого. Основным недостатком его является то, что связь между у и х в разомкнутых системах обеспечивается только конструкцией и подбором физических закономерностей, действующих во всех элементах. Однако используется он очень широко и ввиду своей простоты его не всегда выделяют как один из фундаментальных принципов. На этом принципе построены все системы сигнализации, защиты, контроля, блокировки и т. п.

Ряд устройств, применяемых в автоматике, представляет собой элементы с управлением по разомкнутой цепи (переключатели, реле, логические элементы, некоторые преобразователи, усилители, счетно-решающие элементы, выполняющие операции дифференцирования, интегрирования и т. п.).

Принцип управления по возмущению иногда называют принципом Понселе – Чиколева (по имени французского и русского ученых). Суть его в следующем: для компенсации вредного влияния какого-либо возмущения f необходимо измерить это возмущение и в зависимости от результатов измерения осуществить управляющее воздействие на объект, обеспечивающее изменение управляемой величины по требуемому закону или поддержание ее на заданном уровне.

Для реализации этого принципа в состав САУ должны входить (рис. 1.7, б): чувствительный элемент ЧЭ и исполнительный элемент ИЭ. Между чувствительным и исполнительным элементами могут быть различные промежуточные элементы ПЭ (усилители, преобразователи и т. д.).

Правильно сконструированный регулятор, работающий по этому принципу, обеспечивает независимость (инвариантность) управляемой величины у от воздействия f_i.

Система регулирования давления воздуха в герметизированном отсеке, реализующая этот принцип, приведена на рис. 1.8, а.

Рис. 1.8. Система регулирования давления воздуха в герметизированном отсеке

Одним из возмущающих воздействий является изменение давления окружающей среды р_н. Зависимость давления р в отсеке 3 от величины р_н (в установившемся режиме) характеризуется кривой 1 (рис. 1.8, б) (все остальные воздействия предполагаются постоянными). Как видно в отсеке без регулятора, требуемое значение давления р⁰ имеет место при единственном значении давления внешней среды Для измерения возмущающего воздействия р_н служит измеритель давления, состоящий из сильфона 1, внутри которого размещена пружина 2. Сильфон представляет собой тонкостенную герметически запаянную пустотелую металлическую коробку цилиндрической формы с гофрированными стенками, воздух из которой выкачан до технического вакуума. Деформация сильфона в осевом направлении в первом приближении пропорциональна величине давления р_н. Пружина 2 служит для увеличения упругости сильфона. С днищем сильфона 1 жестко связана регулирующая заслонка 4 в выходном трубопроводе (промежуточные и исполнительные элементы в регуляторе отсутствуют). Допустим, что положение, изображенное на рис. 1.8, а, соответствует номинальному режиму работы, когда р = р⁰ и все возмущающие воздействия постоянны. При увеличении давления р_н и отсутствии регулятора это привело бы к уменьшению расхода Q₂ и увеличению давления в отсеке. При наличии регулятора увеличение давления р_н приведет к сжатию сильфона и перемещению регулирующей заслонки 4 вверх. В результате расход на выходе Q₂ возрастает и давление в отсеке сохранит прежнее значение р⁰. Однако, если расход воздуха Q₂ будет изменен другими возмущениями, регулятор не обеспечит стабилизацию давления в отсеке.

Принцип управления по отклонению. Как известно, основная задача любой САУ состоит в выполнении равенства g(t) = y(t) с той или иной степенью точности, т. е. при работе САУ возникает ошибка или отклонение (t) = g(t) – y(t). При идеальной работе САУ (t) = 0 для всех моментов времени. Для реальных систем при (t)  0 задача может заключаться лишь в уменьшении этой ошибки до допустимого значения.

Суть управления по ошибке состоит в том, что тем или иным путем определяется ошибка САУ и в зависимости от величины и знака этой ошибки осуществляется управляющее воздействие, сводящее ошибку к нулю. Этот принцип был впервые разработан и осуществлен русским механиком И. И. Ползуновым в 1765 г. и английским механиком Дж. Уаттом в 1784 г. В общем случае такие системы должны иметь задающий, чувствительный и сравнивающий элементы (рис. 1.7, в).

Преобразующие элементы регулятора включают в себя устройства для преобразования физической природы сигнала ошибки (модуляторы, демодуляторы и др.) и так называемые корректирующие устройства, осуществляющие функциональные преобразования сигнала ошибки (дифференцирование, интегрирование и др.) и предназначенные для придания системе требуемых свойств.

На рис. 1.8, в показана САУ давления в герметизированном отсеке, реализующая этот принцип. В этой системе чувствительный элемент 1 (сильфон) помещен в камеру 3, давление внутри которой равно давлению р в отсеке 5. Сильфон кинематически связан с регулирующим органом 4. При установившемся состоянии (Q₁ = Q₂) давление в отсеке p = const и заслонка 4 занимает вполне определенное положение, так как усилие, действующее на сильфон за счет давления газов в камере 3, уравновешено усилием пружины 2. При увеличении давления в отсеке по каким-либо причинам повышается давление и в камере 3. Сильфон, сжимаясь, перемещает заслонку 4 вверх, увеличивая расход Q₂ на выходе, и давление в отсеке снижается. При уменьшении давления картина повторяется в обратной последовательности. Следовательно, в данной системе чувствительный элемент реагирует только на отклонение давления от установленного значения. В этой системе сравнивающий элемент в явном виде отсутствует. Сигнал ошибки x(t) = р⁰ – р(t).

Важным преимуществом САУ по ошибке является отсутствие жестких требований к стабильности характеристик элементов регулятора и объекта, существенным недостатком – склонность к колебаниям, что значительно усложняет расчет таких систем. Поэтому сейчас создаются комбинированные системы, использующие оба эти принципа одновременно.